Nâng cao tính bền vững cho bộ điều khiển thích nghi phi tuyến khi tham số đối tượng thay đổi

Đề tài tập trung nghiên cứu - thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến,thoả mãn tính thích nghi đối với các tham số không biết trước thay đổi theo thời gian và bền vững đối với nh

MỞ ĐẦU

1. Mục tiêu của đề tài.

Đề tài tập trung nghiên cứu - thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến,thoả mãn tính thích nghi đối với các tham số không biết trước thay đổi theo thời gian

và bền vững đối với nhiễu ảnh hưởng từ môi trường Trong đó, các phần tử phituyến không thể hoặc khó mô hình hoá Bộ điều khiển được thiết kế sao cho tậndụng được các ưu điểm của Điều khiển thích nghi và Điều khiển bền vững Ứngdụng bộ điều khiển đã thiết kế vào điều khiển hệ phi tuyến trong thực tế

2. Tính cấp thiết của đề tài.

Hiện nay các bộ điều khiển trong thực tế chủ yếu sử dụng bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID với các tham số được lựa chọn phù hợp nói chung đáp ứngđược các yêu cầu của đối tượng điều khiển là tuyến tính Tuy nhiên các hệ thốngcần được điều khiển trong thực tế đều là các hệ phi tuyến, có chứa các tham sốkhông biết trước hoặc chứa các phần tử phi tuyến không thể hoặc rất khó mô hìnhhóa trong việc xây dựng hệ thống phương trình vi phân mô tả hệ

Vì vậy việc nghiên cứu để nâng cao tính bền vững của hệ điều khiển thíchnghi là rất cần thiết và cần tập trung nghiên cứu Do đó tôi chọn hướng nghiên cứu

là :

“Nâng cao tính bền vững cho bộ điều khiển thích nghi phi tuyến khi tham số đối tượng thay đổi”

3. Nội dung của luận văn

Nội dung của luận văn bao gồm những phần sau :

 Chương 1 : Tổng quan về lý thuyết điều khiển thích nghi

Nội dung của phần này là tìm hiểu những vấn đề chung về điều khiển thíchnghi và xét tính bền vững trong điều khiển thích nghi

 Chương 2 :Thiết kế bộ điều khiển thích nghi và thích nghi bên vững

Nội dung chương 2 đưa ra các phương pháp tổng hợp hệ điều khiển thích nghibên vững và tập trung vào phương pháp tổng hợp hệ điều khiển thích nghi bềnvững theo mô hình mẫu

 Chương 3: Nâng cao chất lượng của hệ truyền động bánh răng

Nội dung chương 3 là áp dụng phương pháp trên vào điều khiển thiết bị phi tuyếntrên thực tế mô hình động cơ một chiều với tải bánh răng

Tiến hành kiểm tra đánh giá chất lượng bộ điều khiển bằng mô phỏng nhờ phầnmềm MATLAB – SIMULINK và chạy thực nghiệm trên phần mềm Cotrol Desk

Từ các kết quả thực nghiệm nhận được ta tiến hành đánh giá nội dung của

phương pháp và rút ra kết luận chung về đề tài

1.1 Lịch sử phát triển của hệ diều khiển thích nghi.

Điều khiển thích nghi (ĐKTN) ra đời năm 1958 để đáp ứng yêu cầu của thực tế

mà các hệ điều khiển tự động truyền thống không thoả mãn được

Những năm 70 sự phát triển của kỹ thuật điện tử và máy tính đã tạo ra khả năngứng dụng lý thuyết này vào thực tế

Trong những năm 80 nhiều thiết kế đã được cải tiến, dẫn đến ra đời lý thuyếtĐKTN bề vững Một hệ thống ĐKTN được gọi là bền vững nếu như nó đảm bảo chấtlượng ra cho một số đối tượng trong đó có đối tượng đang cần xét và trong quá trìnhlàm việc hệ chịu nhiễu tác động

Cuối thập kỉ 80 các công trình nghiên cứu về hệ ĐKTN bền vững, đặc biệt làMRAC cho các đối tượng có thông số biến thiên theo thời gian tuyến tính

1.2 Đặc điểm chung của hệ thống Điều khiển thích nghi.

1.2.1 Định nghĩa.

Hệ Điều khiển thích nghi là hệ điều khiển tự động mà cấu trúc của bộ điều khiển

có thể thay đổi theo sự biến thiên thông số của hệ sao cho chất lượng ra của hệ đảmbảo các chỉ tiêu đã định trước

1.2.2 Cấu trúc hệ điều khiển thích nghi.

Cấu trúc tổng quát của hệ ĐKTN được mô tả trên hình 1.1

Hình 1.1 Cấu trúc chung của hệ thống Điều khiển thích nghi.

Hệ gồm hai khối sau:

*Khối 1: Phần cơ bản của hệ điều khiển bao gồm:

+ Đối tượng: S

+ Thiết bị điều khiển: R

+ Mạch phản hồi cơ bản:

s c

r

y

u

Bé ®iÒu khiÓn C(0* )

§èi t¦îng ®iÒu khiÓn G (S)

- Tín hiệu vào của hệ: u

- Tín hiệu ra của hệ: y

* Khối 2: Phần điều khiển thích nghi bao gồm:

+ Khâu nhận dạng: I

+ Thiết bị tính toán: T.T

+ Cơ cấu thích nghi: A

1.3 Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC)

Để giải quyết được bài toán điều khiển theo mô hình mẫu với đối tượng cóthông số thay đổi và cấu trúc không biết trước thì phương pháp điều khiển trên cầnkết hợp với phương pháp ĐKTN để thay thế C * trong luật điều khiển bằng vec tơthông số đánh giá C Từ đó xuất hiện phương pháp điều khiển thích nghi theo môhình mẫu (MRAC)

1.4 Hệ điều khiển thích nghi áp đặt cực – APPC

Điều khiển thích nghi áp đặt cực (adaptive pole placement control-APPC) xuất phát

từ hệ điều khiển áp đặt cực (PPC) áp dụng cho các đối tượng tuyến tính dừng có tham

1.5 Tính bền vững của bộ điều khiển thích nghi

Để có thể nghiên cứu và nâng cao được tính bền vững của hệ khi thiết kế bộđiều khiển ta cần phải phân loại và nghiên cứu các đặc tính không xác định của đốitượng rồi tìm cách mô tả chúng Một khi các sai lệch của mô hình đối tượng được mô

tả bằng một vài dạng toán học nào đó thì có thể sử dụng chúng để phân tích tính bềnvững của các bộ điều khiển thiết kế cho mô hình đơn giản hoá của đối tượng thực tế

1.6 Kết luận chương 1

Hệ điều khiển thích nghi đang được tiếp tục nghiên cứu và sử dụng ngày càngnhiều trong thực tế bởi tính ưu việt của nó Ngoài những ưu điểm mà ĐKTN đạt đượcthì nhược điểm cơ bản của phương pháp ĐKTN là hệ ít bền vững khi điều khiển các

đối tượng có phần tử động học không thể mô hình hoá được hoặc khi làm việc cónhiễu tác động

Hệ Điều khiển thích điển hình gồm hai phần chính : bộ đánh giá thông số vàluật điều khiển vì vậy khi thiết kế hệ điều khiển thích nghi bền vững cũng đi theo haihướng sau đây:

 Nghiên cứu các bộ đánh giá đặc biệt để đạt được tính bền vững của hệ

 Tìm các luật điều khiển bền vững để ứng dụng vào sơ đồ ĐKTN

2.2 Hệ điều khiển thích nghi cho mô hình có sai lệch

Hinh 2.2 Mô hình điều khiển sử dụng luật thích nghi cho đối tượng có tham số bất

định

2.3 Xây dựng luật điều khiển thích nghi bền vững

Mục tiêu của bài toán đặt ra là vẫn sử dụng luật điều khiển thông thường làđiều khiển theo mô hình mẫu, nhưng cải tiến luật thích nghi kinh điển thành luật thíchnghi bền vững để tạo nên hệ Điều khiển thích nghi bền vững cho đối tượng là đốitượng phi tuyến có sai lệch mô hình theo kiểu sai lệch nhân và chịu nhiễu tác động.Mục đích của bài toán ở đây là tổng hợp được bộ điều khiển thích nghi R(p) sao chođáp ứng được chất lượng mong muốn cho một lớp các mô hình S sao cho càng lớnhơn đối tượng chuẩn càng tốt, lúc đó tính bền vững của bộ điều khiển càng cao

Hinh 2.3 Mô hình hệ kín sử dụng luật thích nghi cho đối tượng có tham số bất định

2.4 Bộ điều khiển theo MRC với luật thích nghi bền vững

Xét trường hợp tổng quát: Mô hình đối tượng có dạng SISO được cho bởi:

( ) ( ) (1 ( ) ) ( )

S1 Dm( )s là là một hàm giải tích trong Re 0

2

s -d

éù³

êú cho mọi d >0 0

S2 Tồn tại một hàm truyền chặt giải tích G s( ) trong Re 0

2

s - d

éù³

êú và thỏa mãnrằng G s( ) ( )Dm s là một hợp thức chặt

Chọn hàm truyền đạt của mô hình mẫu được biểu diễn như sau:

Khi áp dụng phương pháp điều khiển cho các hệ phi tuyến thì nhược điểm cơbản của phương pháp này là không bền vững Hệ điều khiển thích nghi điển hình baogồm hai phần chính: bộ đánh giá tham số và luật điều khiển Vì vậy bài nâng cao tínhbền vững của hệ điều khiển thích nghi cũng đi theo hai hướng sau đây:

- Tìm các bộ đánh giá tham số đặc biệt (Luật thích nghi bền vững) để đạt được

tính bền vững của hệ điều khiển thích nghi

- Tìm các luật điều khiển bền vững để tổng hợp các sơ đồ điều khiển thích nghi

Hệ điều khiển thích nghi bền vững dùng các bộ đánh giá tham số đặc biệt (luật

thích nghi bền vững) để đạt được tính bền vững theo mong muốn, trong lúc

đó luật điều khiển của hệ vẫn dùng luật điều khiển thông thường như: điềukhiển thích nghi theo mô hình mẫu

CHƯƠNG 3:

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG

3.1 Lựa chọn đối tượng điều khiển

Mục tiêu của bài toán đặt ra là ứng dụng hệ điều khiển thích ngi bền vững đểđiều khiển đối tượng cụ thể trong thực tế là đối tượng phi tuyến có sai lệch Đốitượng cụ thể ở đây được lựa chọn là cơ cấu truyền động bánh răng, được ứng dụngtrong các dây truyền sản xuất và truyền tải

Hình 3.1 Mô hình hệ truyền động bánh răng

3.2 Đánh giá ảnh hưởng của bánh răng đến hệ truyền động.

3.2.1 Sơ đồ tổng quát của hệ truyền động

Hệ thống truyền động điện qua bánh răng được mô tả bằng sơ đồ khối nhưhình 3.2 Trong đó động cơ điện được cấp điện từ lưới qua bộ điều khiển, trục động

cơ nối với bánh răng chủ động và truyền chuyển động đến máy sản xuất

thông qua bánh răng bị động (hoặc một vài bánh răng trung gian)

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ truyền động qua bánh răng

3.2.2 Mô phỏng hoạt động của bánh răng

Sơ đồ mô tả quan hệ giữa tốc độ trục chủ động và tốc độ trục bị động như sau:

Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động qua bánh răng

Hình 3.4 Đặc tính tốc độ của bánh răng chủ động và bị động Nhận xét: Kết quả mô phỏng ở hình 3.4 cho thấy do ảnh hưởng khe hở, đàn hồi

và ma sát nên tốc độ trục bị động bị dao động dẫn đến tỉ số truyền tức thời của cặpbánh răng luôn thay đổi, sự thay đổi này có tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào tốc độ làmviệc của hệ

3.2.3 Đánh giá quan hệ giữa các Moment trong hệ bánh răng

Mô phỏng để đánh giá tác động của khe hở, đàn hồi và ma sát:

Hình 3.5 Sơ đồ mô phỏng quan hệ Moment của các cặp bánh răng

Hình 3.6 Đặc tính quan hệ Moment của các cặp bánh răng

Từ các kết quả mô phỏng ở hình 3.6 ta thấy rằng với hệ truyền động qua bánhrăng do ảnh hưởng của các yếu tố có tính ngẫu nhiên như khe hở, đàn hồi, ma sátluôn tác động lên hệ thống Do đó cùng với sự dao động của tốc độ, dẫn đến tỉ sốtruyền tức thời của cặp bánh răng luôn thay đổi và mô men tác động lên trục bị độngcũng dao động, biến đổi theo

3.3 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ truyền động qua bánh răng

3.3.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống

Trong hệ thống truyền động, sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hệ điều khiển động cơ là hệ chấp hành T – Đ

Hình 3.7 Cấu trúc chung của cơ cấu chấp hành

Thông số của động cơ được cho như sau:

Bảng 3.1 Tham số của động cơ

3.3.2 Mô hình toán học của bộ chỉnh lưu

Để điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng của động cơ điện một chiều (qua đó

điều chỉnh tốc độ động cơ) chúng ta cần có bộ biến đổi Ở đây, ta sử dụng bộ biến đổi

chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng

3.3.3 Máy phát tốc

Máy phát tốc là một khâu quán tính bậc nhất bao gồm các tham số sau:

- T ff = 0.001( )s :Hằng số thời gian của máy phát tốc

15

dm ff

I

k = = Hằng số khuếch đại

- T ff = 0.002( )s Hằng số thời gian của bộ biến dòng

3.3.5 Động cơ điện một chiều

Xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ khi từ thông không đổi trên hình dưới:

Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi

3.3.6 Thiết kế mạch vòng dòng điện

Ta xét trong trường hợp hệ thống truyền động điện có hằng số thời gian cơ lớnhơn rất nhiều so với hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng Lúc này ta có thểcoi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch

vòng dòng điện ( tức là e = 0).

Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc điều khiển dòng điện

3.3.7 Thiết kế mạch vòng điều khiển tốc độ

Mục tiêu là tổng hợp được hệ điều khiển thích nghi bền vững sao cho lượng racủa hệ thống (tốc độ động cơ) có độ ổn định cao khi có nhiễu tác động và sự thay đổicủa mô men quán tính trên trục động cơ cũng như các tham số khác của động cơ

Hình 3.10 Sơ đồ cấu trúc đối tượng điều khiển tốc độ động cơ

Sơ đồ mô phỏng hệ thống như sau:

Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tốc độ động cơ

Hình 3.11a Tốc độ của trục bị động

Hình 3.11b Tốc độ của trục chủ động

3.4 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ theo phương pháp thích nghi bền vững

Các bước tiền hành thiết kế bộ điều khiển thích nghi bền vững theo mô hình mẫu được tiến hành như sau:

Bước 1: Mô hình đối tượng điều khiển

Hình 3.12 Mô hình đối tượng điều khiển

Bước 2: Xác định bộ lọc đầu vào:

Hình 3.13 Mô hình bộ lọc đầu vào

Bước 3: Xác định mô hình mẫu

Hình 3.14 Mô hình mẫu

Bước 4: Chuẩn hóa tín hiệu

Hình 3.15 Mô hình chuẩn hóa tín hiệu

Bước 5: Chuẩn hóa mô hình sai lệch

Chuẩn hóa mô hình được thực hiện mô phỏng và kiểm tra đánh giá trong phầnmền Matlap – Simulinh và được đóng thành một khối Khối này được đặt tên là khốichuẩn hóa mô hình sai lệch

Hình3.16 Mô hình chuẩn hóa tín hiệu

Bước 6: Thiết kế luật thích nghi bền vững

Luật thích nghi bền vững này chính là cơ sở để ta cập nhật các tham số thích nghi một cách on-line Được xây dựng trong phần mềm Matlap – Simulink như sau:

Hình3.17 Mô hình chuẩn hóa tín hiệu

Bước 7: Thiết kế bộ điều khiển

Các tham số của bộ điêu khiển được cập nhật on-line dựa vào luật điều khiển thích nghi bền vững

Hình 3.18 Bộ điều khiển

Mô hình mô phỏng để kiểm chứng thuật toán được thực hiện trong Matlap – Simulink:

Hình 3.19 Mô hình điều khiển hệ truyền động bánh răng

Hình 3.20 Tốc độ đầu ra của trục bị động và trục chủ động

Hình 3.21 Momen cản (đặc trưng của tải) Nhận xét: Qua mô phỏng cho ta thấy chất lượng của hệ khi có bộ điều khiển

thích nghi bền vững được cải thiện đáng kể, hầu như đã triệt tiêu được ảnh hưởng củaMomen cản hay nói cách khác đã khắc phục được ảnh hưởng có tính ngẫu nhiên nhưkhe hở, đàn hồi, ma sát của cặp bánh răng Các tham số thích nghi được thể hiện trênhình 3.24

Hình 3.22 Các tham số thích nghi

So sánh chất lượng của hai bộ điều khiển:

Hình 3.23 Tốc độ đầu ra thay đổi có tính chất chu kỳ

Hình 3.24 So sánh chất lượng của hai bộ điều khiển

Hình 3.25 So sánh chất lượng của hai bộ điều khiển khi tín hiệu đặt thay

đổi theo chu kỳ Nhận xét:

Từ các kết quả mô phỏng trên cho thấy với bộ điều khiển PID kinh điểnthì biên độ dao động, rung, độ va đập của tốc độ phía trục bị động tăng lên; khi đưa

bộ điều khiển thích nghi bền vững vào thay thế, thì bộ điều khiển thích nghibền vững đã khắc phục được các tồn tại trên, chất lượng động tăng lên rõ rệt, thờigian quá độ giảm, quá trình làm việc của hệ thống ổn định

3.5 Kết quả thí nghiệm

3.5.1 Kết quả thí nghiệm với bộ điều khiển PID

Kết quả thí nghiệm

- Trường hợp sử dụng hệ điều khiển động cơ là hệ chấp hành T – Đ Tốc độ

động cơ tăng từ 0 lên 400 vòng/phút sau đó tiếp tục tăng lên 600 vòng/phút

Hình 3.27: Kết quả thí nghiệm với bộ điều khiển PID Hình 3.26: Kết quả mô thí nghiệm với bộ điều khiển PID

- Trường hợp thay đổi tốc độ đặt của động cơ theo chu kỳ

Hình 3.28: Tốc độ đầu ra thay đổi có tính chu kỳ

sử dụng bộ điều khiển PID

Hình 3.29: Tốc độ đầu ra thay đổi có tính chu kỳ

sử dụng bộ điều khiển thích nghi bền vững

3.5.2 Nhận xét kết quả thí nghiệm

- Từ kết quả thí nghiệm trên hình 3.26 và 3.28 cho thấy chất lượng làm việc

của hệ thống với bộ điều khiển PID chưa bám tốt giá trị đặt, hệ thống còn dao độngmạnh chạy chưa êm

- Kết quả thí nghiệm hệ thống với bộ điều khiển thích nghi bền vững chỉnhđịnh tham số bộ điều khiển thích nghi bền vững thể hiện trên các hình 3.27 và hình3.29 cho thấy chất lượng của hệ thống đã được cải thiện đáng kể so với bộ điều khiểnPID (hình 3.26 và hình 3.28) Nó được thể hiện ở mức độ dao động của hệ truyềnđộng đã được giảm đáng kể, hệ thống chạy êm hơn Điều này đã kiểm chứng đượctính đúng đắn của thuật toán điều khiển thích nghi kinh điển PID

3.6 Kết luận chương 3

Bằng phương pháp nghiên cứu, tính toán, khảo sát và dùng phần mềm môphỏng MATLAB- SIMULINK hỗ trợ đưa ra các đặc tính tốc độ, mô mencủa quan hệ tức thời giữa bánh răng chủ động và bánh răng bị động trong đó có kểđến các ảnh hưởng mang tính ngẫu nhiên bao gồm góc khe hở, đàn hồi, ma sát Từ đó

so sánh giữa bộ điều khiển PID kinh điển và bộ điều khiển thích nghi bền vững theo

mô hình mẫu

Qua các kết quả thí nghiệm hệ thống với bộ điều khiển thích nghi bền vữngchỉnh định tham số bộ điều khiển thích nghi bền vững ta thấy bộ điều khiển PID kinhđiển có biên độ dao động, rung, độ va đập của tốc độ phía trục bị động tăng lên do đóthực sự không phù hợp với hệ Với bộ điều khiển thích nghi bền vững theo mô hìnhmẫu đã cho một kết quả khả thi: Chất lượng động tăng lên rõ rệt, biên độ dao động vàthời gian quá độ giảm, quá trình làm việc của hệ thống ổn định, nâng cao được chấtlượng điều khiển hệ truyền động qua bánh răng